三坐標測量機與數控機床坐標轉換方法研究

張 東，鐘文慶，劉 旺，賀方鑫

(北方導航控制技術股份有限公司，北京 100176)

隨著以智能制造為核心的制造能力轉型升級浪潮的到來，企業在探索實踐自動化生產單元、柔性化智能制造單元、智能制造生產線、自動化物流等智能生產模式，通過信息化系統集成完成數字化車間、智慧工廠建設。

自動化生產單元建設時，往往一個生產單元包含多種設備，實現高性能機床加工、機械手、自動裝夾定位、刀具在線自動檢測、工件在機或在線自動測量、自動物流、生產智能管控排產等先進技術[1]。工件的在線檢測是其中重要一環。

以某產品生產線為例，工件在線測量設備選用的是三坐標測量機，選用的某品牌切削設備是海德漢數控系統，電火花機床是發那科數控系統。三坐標測量機負責對零件的尺寸進行在線檢測，并將測量的數據傳輸到電火花機床和加工中心，實現在三坐標測量機坐標系下的測量數據與加工中心和電火花坐標系下的接收數據保持一致是實現自動化生產的關鍵環節之一。

1 三坐標測量機在生產線中的作用

本生產線中，自動檢測系統由機內刀具檢測系統、在機工件監測系統和線內測量機組成。檢測數據匯入智能化控制系統，與質量管理系統實現數據互通[2]。線內測量機選用的就是三坐標測量機，能夠實現在生產過程自動對多種零件、多個工序的批量線內測量，保證工件的一致性和重復性。測量機應能在室溫下工作，并保證測量精度[3]。控制系統通過網絡連接，根據測量數據，自動計算刀具補償量，并將刀具補償量自動更新到數控機床NC系統對應刀具的刀補中，必要時進行二次加工以保證零件加工質量[4]。

2 三坐標測量機與數控機床

2.1 生產線在線檢測遇到的問題

生產線中數控機床和電火花機床、三坐標測量機不是同一個品牌的設備，零件在3種設備上裝夾的空間位置也不相同，如果把三坐標測量機測量出的坐標值直接導入到數控機床和電火花機床系統中，X、Y、Z三個坐標值與在機床上的位置不一致，發現2個問題：1)控制系統接收到的坐標數據與數控機床不一致，導致刀具補償計算錯誤；2)控制系統接收到的坐標數據與電火花機床不一致，導致刀具補償計算錯誤。所以要研究零件在3個設備各自坐標系下的坐標關系，編制數據傳輸程序，使三坐標測量機輸出的測量數據進入到機床系統中后，X、Y、Z與實際相一致。

2.2 數控機床標準坐標系與工件坐標系

按照ISO標準規定，確定數控機床標準坐標系：1)不論機床的具體結構，一律看作是工件相對靜止，刀具運動；2)機床的直線坐標軸X、Y、Z的判定順序是先Z軸，再X軸，最后按右手定則判定Y軸(見圖1)；3)增大工件與刀具之間距離的方向為坐標軸正方向。

圖1 數控機床標準坐標系

Z坐標軸的運動由傳遞切削力的主軸決定，與主軸平行的標準坐標軸為Z坐標軸，X坐標軸的運動是水平的，它平行于工件裝夾面，Y坐標軸根據X、Z坐標軸，按照右手直角笛卡兒坐標系確定(見圖1)，各坐標軸的正方向為增加刀具和工件之間距離的方向；旋轉坐標軸A、B、C相應地表示其軸線平行于X、Y、Z的旋轉運動，其正方向按照右旋螺紋旋轉的方向。對于移動部分是工件而不是刀具的機床，用帶“′”的字母表示工件的正向運動[5]。

確定工件坐標系時，工件原點選擇如下(見圖2)：1)與設計基準一致；2)選在尺寸精度高、表面粗糙度低的工件表面；3)在工件的對稱中心上；4)便于測量和檢測[6]。

2.3 三坐標測量機編程與測量

明確了零件在數控機床的機床坐標系和工件坐標系，下一步進行零件的測量與數據采集。

1)建立零點工裝和零件模型，編寫三坐標測量程序(見圖3)。坐標系設置時將基本坐標系改為讀取已保存的零點工裝坐標系，初定位坐標系改為讀取已保存的零點工裝坐標系[7]。

2)工件相對于零點工裝中心坐標的X、Y、Z軸的偏移量，這個偏移量是電火花機床完成加工的參照依據。這里使用了三坐標指令中的方槽指令，簡單快捷，得到偏移量X、Y、Z，縮短了三坐標測量機的測量時間[8]。

圖3 編寫三坐標測量機測量程序

2.4 三坐標測量機和數控機床坐標轉換關系

1)成品零件在三坐標上測量時，零點定位工裝中心線沿Z軸方向安裝，與在數控機床上的方向一致；但零件方向與在數控機床上加工時的方向沿Z軸旋轉了180°[9]。

以表1測量尺寸為例，測量所得坐標值與在機床坐標系下的坐標值關系見表1。

表1 三坐標測量機坐標與數控機床坐標對應關系

2)半成品工件在三坐標上測量時，零點定位工裝中心線沿Z軸方向安裝，而在電火花上零點定位工裝中心線是沿Z軸方向安裝。

以表2測量尺寸為例，測量所得坐標值與在機床坐標系下的坐標值關系見表2。

表2 三坐標測量機坐標與電火花機床坐標對應關系

3)三坐標測量機和電火花機床坐標系基準的統一：第1步，用三坐標測出標準棒的總長ZC；第2步，用三坐標測出標準棒標準面到圓心的距離YC；第3步，把標準棒安裝到電火花機床零點托盤上，用電火花機床的探頭去觸碰標準棒的ZC方向，因為標準棒會從三坐標上豎向變為電火花上的橫向，所以在電火花上坐標系ZC就變成了XC，觸碰完之后，機床會得到一個X軸的機械坐標值X1；第4步，計算機床X向托盤的零點值。

X0=X1+R+ZC+1

式中，X0是X軸上托盤的零點值；X1是電火花機床探頭觸碰標準棒后所得X軸坐標值；R是探頭球半徑；ZC是標準棒總長；1是回退距離。

同樣的方法可以得到Y0、Z0的值，把X0、Y0、Z0這3個數值輸入到機床系統托盤零點坐標值中，實現了三坐標測量機和電火花機床的基準統一。

3 三坐標測量機測量數據的坐標轉換

確定工件在三坐標測量機與數控機床、電火花機床上測量和加工的坐標轉換關系后，對三坐標測量機傳出的測量數據進行轉換處理，在軟件中修改賦值程序(見圖4)，這樣數控機床、電火花機床讀取的測量結果就是轉換后的坐標值[10]，與本機的坐標系完全一致，達到了在線自動檢測的目的。

4 結語

經過加工驗證，通過在線自動檢測、坐標自動轉換，實現的生產零件加工尺寸完全符合圖樣要求，達到了預期目的。本次課題通過對三坐標測量機所測零件數據與機床坐標系和工件坐標系進行對比分析，確定了坐標轉換關系，在三坐標測量機軟件中對賦值程序進行修改，實現了三坐標測量機測量結果可直接應用到機床系統中，并且為今后三坐標測量機在智能生產線中的應用提供了解決方案。

圖4 三坐標測量機坐標轉換處理程序